基于多层次模糊综合评价视角的广东省水资源承载力研究

郑 炜

十八届三中全会提出：“建立资源环境承载能力监测预警机制，对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域实行限制性措施”，且中共中央、国务院发布的《关于加快推进生态文明建设的意见》也再次强调要“严守资源环境生态红线，将各类开发活动限制在资源环境承载能力之内”。水资源是人类生存与发展的不可缺少的重要资源，对促进区域经济、人口与资源环境的可持续发展意义重大，历来是政府和科学界关注的焦点问题。然而，随着经济的发展、工业与生活用水量的增加以及浪费的加剧等，大多数地区出现了水资源短缺、水污染严重、生态恶化和饮水安全威胁等问题，使得水资源的利用与社会发展的矛盾更为突显。国内外对水资源承载力的评价方法主要有综合评价法、系统动力学法、多目标决策法等［1－6］，而利用评价法最终的目的在于以下3个方面：分析水资源承载力如何均衡水资源在生态、生活、农业、工业中的分配［7－11］；分析其对保持、维持河流的生态作用，防止生态的恶化［12－16］；运用水资源承载力来保证区域社会发展需要［17－20］。

广东省是中国经济最为发达、最具有发展潜力的地区之一，近几年，随着工业化、城市化进程的大规模发展以及居民生活水平的提高，工业用水量、居民生活用水量逐年增大，其水资源问题逐渐演变成区域性难题，环境的不断破坏，承载力的不断弱化，致使水环境事故时有发生，如2011年化州市高岭土厂事件、2012年增城河事件、2015年练江水事件等。为解决水资源问题，广东省加大对水利工程规模的投资，优先发展民生水利，确保落实执行最严格的水资源管理制度的主要目标和各项任务，为“十三五”水利改革与发展奠定坚实的践行基础。鉴于此，本研究以广东省为研究对象，试图从水资源、生态环境和社会经济发展状况3方面构建水资源承载力评价指标体系，对广东省2008－2015年水资源承载力的具体实况进行定量分析，为政府部门评价水资源状况，科学管理水资源提供依据。

1　研究区概况、数据来源与方法

1.1　研究区概况

广东省位于中国大陆最南端，2个副省级市，19个地级市，23个县级市，总面积17.98万km2，大陆岸线长3 368.1 km，流域面积在100 km2以上的各级干支流614条，流入海河流93条。据2015年《广东省水资源公报》数据显示，2015年水资源总量为1 933.4亿m3，雨量充足，年平均降水量为1 500～2 000 mm。以2015年统计数据为准，全省人口10 849万，GDP达7.28万亿元，是中国经济规模最大，经济综合竞争力、金融实力最强省份。由于广东省正处于工业化、城市化、快速发展和产业转型升级的时期，水资源的有限供给与无限利用之间的矛盾十分突出。因此，以水资源管理部门的业务需求为出发点，开展水资源承载力水平研究，并将此作为确定广东省未来发展规模和速度的重要判据，实现人口、资源、环境与社会经济的可持续和谐发展。

1.2　数据来源

各行业用水量等数据均来源于 《广东省水资源公报》和广东省人民政府网站。GDP等社会经济数据来源于《广东省统计年鉴》。

1.3　研究方法

运用层次分析法及模糊综合评价法，在分析水资源与生态环境以及社会经济关系的基础上，遵循评价指标原则，结合广东省自身特点，建立各个层次的代表指标，进行模糊化和综合评分，研究广东省水资源承载状况、变化趋势及主要影响因素。

1.3.1模糊综合评价法 模糊综合评价模型是根据隶属度理论将定性评价转化为定量评价，由于不需要考虑数据分布变量之间的特性，所以更能够全面反映区域水资源状况。基本原理［21］如下。

首先，建立水资源承载力评价的指标集U＝｛u1，u2，…，un｝和评语集 V＝｛v1，v2，…，vm｝两个有限论域，其中U代表综合评判因子，V代表评论集。

其次，从U到V的模糊映射R，表示为：

其中R矩阵的第i行向量表示Ui在V上的评判。

再次，如对各评判因数的权重级为A＝［a1，a2，…，am］（A 是论域 U 上的一个模糊子集，0≤ai≤1，利用模糊综合算法进行变换，求得论域V

上的一个模糊子集，即综合评判结果：

B=A×R=［b1，b2，…，bn］

1.3.2多层次模糊评价法 对水资源承载力评价必须具备两个步骤：第一，单独对水资源、生态环境和社会经济3个子系统进行模糊综合评价，计算出各子系统在评价年份的评价指数；第二，对广东省水资源承载力进行模糊综合评价，得出承载力综合评价指数。 评判因素 U 由｛U1，U2，U3，U4，U5，U6｝，｛U7，U8，U9，U10｝ 和 ｛U11，U12，U13，U14，U15，U16｝构成，对应评语集 V＝｛V1，V2，V3｝＝｛弱，中，强｝。其中，V3级表现为水资源承载能力较强，水资源供给对区域发展具有一定的保障作用；V1级表明水资源承载力接近饱和值，开发利用潜力小。因此，必须防止水资源短缺，以免制约国民经济发展；V2级位居前两者间，表明水资源开发利用具有一定规模，而且必须合理开发利用。

1.3.3水资源承载力评价指数的具体计算步骤

1）评判矩阵R。为了避免等级间的细微差别，将隶属度平滑化、模糊化［22］。对于V2级，隶属度的中点为1，相邻两个等级的隶属度为0.5。V1和V2，V2和V3的临界值是K1、K3，其中间值是K2，因此，K2＝（K1×K3）/2。

2）各子系统评价指数。令B＝A×R，其中bj=，则评语等级集合为各等级赋值为 V＝｛0.05，0.50，0.95｝， 按照加权平均原则计算2008－2015年水资源子系统、生态环境子系统和社会经济子系统的评价指数。

3）综合评价指数。水资源承载力综合评价指标是衡量水资源承载力的程度状况，通过计算各子系统评价指标的加权平均值，计算出水资源承载力的综合评价指数。评价指数越高，水资源承载力越强。

2　结果与分析

2.1　评价指标体系和评价等级的构建

在参照国家水资源供需平衡分析指标和学者们研究［1－22］的基础上，针对广东省的水资源现状、生态环境质量和社会经济发展状况，筛选出与水资源可持续发展相关的16个指标作为评价依据，组成广东省水资源承载力评价指标体系框架，如图1所示。

根据相关研究成果、广东省自然生态环境特征以及社会经济发展状况，拟定广东省水资源承载力5个评价等级标准（表1）。

图1　广东省水资源承载力评价指标体系框架

表1　广东省水资源承载力评价指数标准

2.2　水资源多层次模糊综合评价

通过熵权法确定各评价指标的权重，其次运用多层次模糊综合评价方法对广东省2008－2015年的水资源承载力进行评价和排序，最终求得整体综合评价结果。

2.2.1确定各评价指标的权重 根据水资源承载力评价指标体系建立因素集 X＝｛B1，B2，B3｝＝｛水资源系统，生态环境系统，社会经济系统｝。应用熵权法计算得出各系统及指标的权重（表2）。

2.2.2确定评语集等级指标值 根据广东省地域特点和现有研究成果，对评语集中各指标的V1、V2、V3值进行划分（表3）。

2.2.3单因素模糊评价法 根据确定的隶属函数，计算隶属关系矩阵，可得2008－2015年水资源子系统、生态环境子系统和社会经济子系统承载力评价结果，分别如表4、表5及表6所示。

表2　水资源承载力评价指标权重

表3　综合评价因素的分级指标

表4　广东省水资源子系统承载力评价结果

表5　广东省生态环境子系统承载力评价结果

表6　广东省社会经济子系统承载力评价结果

2.2.4模糊综合评价 通过上述计算，对各子系统的评价指标进行评价，得到加权平均值后的水资源承载力综合评价结果（表7）。各子系统及综合评价的结果见图3。

表7　广东省水资源承载力评价结果

图3　广东省水资源承载力各子系统评价指数和综合评价指数

2.3　评价结果

如图3所示，广东省水资源承载力呈上升趋势，但增长幅度较小，波动较大。2008－2015年均处于良好承载状态（0.586 8～0.629 0）。 综合评价指标呈上升趋势，说明水资源系统可为广东省社会经济发展提供基本保障。2009年水资源综合评价指标呈明显下降趋势，预示着社会经济的迅速发展给水资源承载力带来了巨大压力。每个子系统的变化较为复杂，其中2008－2015年水资源子系统的评价指数波动较大，区间为 0.517 3～0.642 1，2008－2011 年呈现较大降幅，2011－2014年呈现倒U形变化趋势；生态环境子系统评价指数总体上呈上升趋势，在2008－2011年持续上升，2011年达到最高值 0.537 4，之后出现下降；社会经济子系统的评价指数总体上呈波动缓慢上升趋势，波动区间在 0.678 1～0.733 8。

3　小结与讨论

3.1　水资源子系统

2008－2015年广东省水资源子系统评价指数有明显的波动现象，呈不稳定状态，对生态环境平衡及社会经济发展有明显的制约作用。一方面，农业耗水量逐渐减少，工业水资源利用率不断提高，水资源子系统压力有了一定的缓解，但随着人口密度的增大、人均用水量的不断攀升，水资源子系统压力越来越大。另一方面，水资源子系统的波动不但受人口密度的迅速增长和经济的快速发展影响，同时还受降水量年际变化的影响，如2009、2011、2014年降水量偏低，水资源总量减少，使得水资源子系统评价指数的上下波动。

水资源子系统评价指数虽呈现波动下降，但水资源的承载力总量仍较高。广东省地下水资源丰富但利用率较低，2008－2015年水资源开发利用率最高仅有28%，最低则只有20%，说明随着科技水平的提高，开发利用地下水资源将会缓解水资源供需矛盾问题，进而提高广东省水资源承载力。

3.2　生态环境子系统

与其他子系统相比，广东省生态环境脆弱度较强，环境承载力低。2008－2015年广东省生态环境子系统评价指数呈上升趋势（从0.4343增长到0.5263），表明生态环境持续得到改善，对水资源承载力贡献率不断提高。

2008年以来广东省积极实施了退耕还林和植树造林等生态环境保护建设工程，取得良好的生态效应，森林覆盖率由2008年的56.30%提高到2015年的58.88%。同时，不断加强水环境基础设施建设，城市污水处理率逐年迅速上升，由2008年的45.8%提高到 2015年的 93.2%。但 2008－2015年全省COD（化学耗氧量）排放量持续上升，由96万t上升到161万t，对水环境造成巨大影响。生态用水方面，主要依赖大气降水，占总用水量的比重偏低，对水资源承载力影响较小。

3.3　社会经济子系统

总体来看，社会经济子系统的评价指数总体上呈波动缓慢上升趋势 （由 0.678 1上升到 0.773 8），表明社会经济的发展给广东省水资源开发利用带来了较大的收益。2008－2015年，广东省人均GDP达67503 元，增长率为8.7%，2009 和 2010 年高达13.5%，远高于全国平均水平。经济的快速发展直接导致了农业、工业和第三产业用水量的急剧增加。虽然单位GDP产值用水量不断下降，但工业用水总量仍然较高，2008－2015年工业用水率年均占28%，始终处于较高的位置。此外，广东省作为中国社会经济发展的核心区域，经济发展的集聚效应导致广东省人口总量迅速增加，人口密度迅速攀升，2015年人口密度突破600人／km2。人口总量的增加和人口密度的攀升，一方面使居民生活用水量激增，人年均用水量由2008年的410 m3迅速增长到2015年的486 m3；另一方面，人均供水量、人均水资源量呈现减弱趋势。随着人口的快速增长，水资源的压力越来越大，水资源供需矛盾日益突出。

3.4　水资源承载力

2008－2015年广东省水资源承载力整体上呈上升趋势，但上升幅度不大，且出现上下波动的现象，水资源承载力系统呈现出良性发展态势。通过分析水资源承载力与水资源、生态环境、社会经济子系统的变化趋势，生态环境子系统对水资源承载能力的贡献率相对较小；社会经济系统对提高水资源承载力起着重要作用，是提高水资源承载力的主要驱动因素；水资源系统是影响水资源承载力变化的主要决定要件。2008－2015年，广东省积极进行社会建设，大力发展经济，广东省的经济有了较大的发展，对水资源承载力的提高起到了关键作用，然而，2015年与2008年相比，在水资源子系统贡献率的持续波动和生态环境子系统对水资源承载力产生压力的综合作用下，全省水资源承载力的综合评价指数仅提高了 0.021 3。

3.5　建议

评价结果与广东省水资源实际情况相吻合，表明多级模糊综合评价模型具有良好的实际应用价值。广东省虽作为中国经济发展的模范区域，但由于人口密度的迅速增长和经济的高速发展，正在给水资源系统施加越来越大的压力，从而导致全省的水资源承载力发生变化，其改善生态环境质量是提高水资源承载力的主要驱动因素。现阶段，广东省应采取综合措施提高水资源的利用效率，加大水利设施建设力度。第一，强化节约用水宣传工作，提高人民节水意识；第二，合理分配水资源，促进人口、经济与水资源均衡发展；第三，提高污水处理技术，加强污水治理；第四，开发清洁新能源，循环利用水资源。

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